हांगकांग विश्वविद्यालय (HKU) से एक स्टेनलेस स्टील की सफलता हरित हाइड्रोजन के सामने सबसे बड़ी समस्याओं में से एक को हल करने में मदद कर सकती है: इलेक्ट्रोलाइज़र कैसे बनाएं जो समुद्री जल के लिए पर्याप्त मजबूत हों, फिर भी बड़े पैमाने पर स्वच्छ ऊर्जा के लिए पर्याप्त सस्ते हों।

प्रोफेसर मिंगक्सिन हुआंग के नेतृत्व में, HKU के मैकेनिकल इंजीनियरिंग विभाग की टीम ने हाइड्रोजन उत्पादन के लिए एक विशेष स्टेनलेस स्टील (SS-H2) विकसित किया। यह सामग्री उन परिस्थितियों में संक्षारण प्रतिरोध करती है जो सामान्यतः स्टेनलेस स्टील को उसकी सीमा से परे धकेल देती हैं, जिससे यह समुद्री जल और अन्य कठोर इलेक्ट्रोलाइज़र वातावरण से हाइड्रोजन उत्पादन के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बन जाता है।

यह खोज, जो मटेरियल्स टुडे में 'ए सीक्वेंशियल डुअल-पैसिवेशन स्ट्रैटेजी फॉर डिज़ाइनिंग स्टेनलेस स्टील यूज़्ड अबव वॉटर ऑक्सीडेशन' शीर्षक से प्रकाशित हुई है, हुआंग के लंबे समय से चल रहे 'सुपर स्टील' प्रोजेक्ट पर आधारित है। उसी शोध कार्यक्रम ने पहले 2021 में एंटी-कोविड-19 स्टेनलेस स्टील और 2017 और 2020 में अल्ट्रा-स्ट्रॉन्ग और अल्ट्रा-टफ सुपर स्टील का उत्पादन किया था।

हरित हाइड्रोजन बिजली का उपयोग करके बनाया जाता है, आदर्श रूप से नवीकरणीय स्रोतों से, पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित करने के लिए। समुद्री जल एक विशेष रूप से आकर्षक फीडस्टॉक है क्योंकि यह प्रचुर मात्रा में है, लेकिन यह एक गंभीर सामग्री समस्या लाता है: नमक, क्लोराइड आयन, साइड रिएक्शन और संक्षारण इलेक्ट्रोलाइज़र घटकों को जल्दी से नुकसान पहुंचा सकते हैं।

प्रत्यक्ष समुद्री जल इलेक्ट्रोलिसिस की हालिया समीक्षाएं उसी मुख्य चुनौती को उजागर करती रहती हैं। यह तकनीक हाइड्रोजन के लिए अधिक टिकाऊ मार्ग प्रदान कर सकती है, लेकिन संक्षारण, क्लोरीन संबंधी साइड रिएक्शन, उत्प्रेरक गिरावट, अवक्षेप और सीमित दीर्घकालिक स्थायित्व वाणिज्यिक उपयोग में प्रमुख बाधाएं बनी हुई हैं।

यह वह जगह है जहां SS-H2 मायने रख सकता है। एक खारे पानी के इलेक्ट्रोलाइज़र में, HKU टीम ने पाया कि नया स्टील वर्तमान औद्योगिक अभ्यास में विलवणीकृत समुद्री जल या एसिड से हाइड्रोजन उत्पादन के लिए उपयोग किए जाने वाले टाइटेनियम-आधारित संरचनात्मक सामग्रियों के बराबर प्रदर्शन कर सकता है। अंतर लागत का है। सोने या प्लैटिनम जैसी कीमती धातुओं से लेपित टाइटेनियम भाग महंगे हैं, जबकि स्टेनलेस स्टील कहीं अधिक किफायती है।

10 मेगावाट के PEM इलेक्ट्रोलिसिस टैंक सिस्टम के लिए, HKU रिपोर्ट के समय कुल लागत लगभग HK$17.8 मिलियन अनुमानित थी, जिसमें संरचनात्मक घटकों का हिस्सा 53% तक था। टीम के अनुमान के अनुसार, उन महंगी संरचनात्मक सामग्रियों को SS-H2 से बदलने से संरचनात्मक सामग्री की लागत लगभग 40 गुना कम हो सकती है।

स्टेनलेस स्टील का उपयोग एक सदी से अधिक समय से संक्षारक वातावरण में किया जा रहा है क्योंकि यह स्वयं की रक्षा करता है। मुख्य घटक क्रोमियम है। जब क्रोमियम (Cr) ऑक्सीकृत होता है, तो यह एक पतली निष्क्रिय फिल्म बनाता है जो स्टील को क्षति से बचाती है।

लेकिन उस परिचित सुरक्षा प्रणाली की एक अंतर्निहित सीमा है। पारंपरिक स्टेनलेस स्टील में, क्रोमियम-आधारित सुरक्षात्मक परत उच्च विद्युत क्षमता पर टूट सकती है। स्थिर Cr2O3 को आगे घुलनशील Cr(VI) प्रजातियों में ऑक्सीकृत किया जा सकता है, जिससे लगभग 1000 mV (संतृप्त कैलोमेल इलेक्ट्रोड, SCE) पर ट्रांसपैसिव संक्षारण होता है। यह जल ऑक्सीकरण के लिए आवश्यक ~1600 mV से काफी नीचे है।

यहां तक कि 254SMO सुपर स्टेनलेस स्टील, जो समुद्री जल में मजबूत गड्ढा प्रतिरोध के लिए जाना जाने वाला एक बेंचमार्क क्रोमियम-आधारित मिश्र धातु है, इस उच्च वोल्टेज सीमा में चलता है। यह सामान्य समुद्री सेटिंग्स में अच्छा प्रदर्शन कर सकता है, लेकिन हाइड्रोजन उत्पादन का चरम विद्युत रासायनिक वातावरण एक अलग चुनौती है।

HKU टीम का उत्तर 'सीक्वेंशियल डुअल-पैसिवेशन' नामक एक रणनीति थी। केवल सामान्य क्रोमियम ऑक्साइड बाधा पर निर्भर रहने के बजाय, SS-H2 एक दूसरी सुरक्षात्मक परत बनाता है।

पहली परत परिचित Cr2O3-आधारित निष्क्रिय फिल्म है। फिर, लगभग 720 mV पर, क्रोमियम-आधारित परत के ऊपर एक मैंगनीज-आधारित परत बनती है। यह दूसरी ढाल क्लोराइड युक्त वातावरण में 1700 mV तक की अति-उच्च क्षमता पर स्टील की रक्षा करने में मदद करती है।

यही वह चीज़ है जो खोज को इतना चौंकाने वाला बनाती है। मैंगनीज को आमतौर पर स्टेनलेस स्टील के संक्षारण प्रतिरोध का मित्र नहीं माना जाता है। वास्तव में, प्रचलित दृष्टिकोण यह रहा है कि मैंगनीज इसे कमजोर करता है।

"शुरू में, हमें विश्वास नहीं हुआ," प्रोफेसर हुआंग ने कहा। "लेकिन प्रयोगों ने हमें गलत साबित कर दिया।"